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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit
eines in einer Abgasanlage eines Verbrennungsmotors angeordneten
Katalysators nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ermittlung Sauerstoffspeicherfähigkeit
eines Katalysators gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen
Vorrichtungsanspruchs.
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Im
Stand der Technik sind verschiedene Regelungsverfahren für
die Einstellung des Verbrennungsgemisches von Verbrennungsmotoren
bekannt, um eine optimale Drei-Wege-Konvertierung in einem in der
Abgasanlage angeordneten Abgaskatalysator zu erreichen. Ferner sind
verschiedene Verfahren bekannt, um eine Sauerstoffspeicherfähigkeit, insbesondere
für die Charakterisierung der Konvertierungseigenschaften
des Katalysators zu Diagnosezwecken, zu erhalten. Darüber
hinaus ist bekannt, die erwähnten Regelungsverfahren in
Abhängigkeit von der Sauerstoffspeicherfähigkeit
des Katalysators anzupassen, zum Beispiel durch Anpassung der Regelfaktoren
des Regelungsverfahren.
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Zur
Ermittlung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit ist es bekannt,
eine Lambda-Schwingung des Abgases vor dem Katalysator mit einer
gemessenen Lambda-Schwingung des Abgases hinter dem Katalysator
zu vergleichen. Dieses Verfahren liefert jedoch erst bei einem stark
geschädigten Katalysator Ergebnisse, da die Pufferwirkung
für Sauerstoff eines nur mittelstark gealterten Katalysators
nahezu der eines frischen Katalysators entspricht. Bekannt ist es auch, über
festgelegte aktiv aufgeprägte Lambda-Amplituden des Verbrennungsgemischs
die Sauerstoffspeicherfähigkeit eines Katalysators auszumessen.
Bei diesem Verfahren wird jedoch aktiv in den Motorbetrieb eingegriffen
mit der Folge von möglicherweise zusätzlichen
unerwünschten Abgasemissionen sowie einem erhöhten
Kraftstoffverbrauch.
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In
der
EP 1 336728 A2 wird
ein Verfahren zur Regelung des Kraftstoffluftverhältnisses
eines Verbrennungsmotors beschrieben, der abwechselnd mit Luftüberschuss
und Luftmangel betrieben wird. Ein Katalysatorvolumen speichert
bei Sauerstoffüberschuss im Abgas Sauerstoff und gibt bei
Sauerstoffmangel Sauerstoff ab. Die bei Luftüberschuss
erfolgenden Sauerstoffeinträge in das Katalysatorvolumen
und die bei Luftmangel erfolgenden Sauerstoffausträge aus
dem Katalysatorvolumen werden bestimmt. Das Kraftstoffluftverhältnis wird
in einem ersten Regelkreis so eingestellt, dass die Summe der in einem
Zeitinterwall bestimmten Sauerstoffeinträge und Sauerstoffausträge
einen vorbestimmten Wert annimmt. Der in den Sauerstoffüberschussphasen
in das Katalysatorvolumen eingetragene Sauerstoff entspricht in
seiner Menge dem im Sauerstoffmangel aus dem Katalysatorvolumen
ausgetragenen Sauerstoff. Diese Mengen werden messtechnisch erfasst. Mit
diesem Verfahren lässt sich zwar ermitteln, wann der Grad
der Befüllung eines Katalysators mit Sauerstoff einen vorbestimmten
Wert überschreitet oder einen vorbestimmten Wert unterschreiten,
jedoch wird der jeweilige Befüllungsgrad nicht einem definierten Zustand
des Verbrennungsmotors zugeordnet, so das keine reproduzierbar gleichen
Werte ermittelt werden.
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Eine
Ausmessung einer Sauerstoffaufnahme des Katalysators könnte
bei einem Übergang des Motors in eine Schubabschaltungsphase
erfolgen. Im Allgemeinen ist allerdings der Befüllungsgrad
des Katalysators zu Beginn der Schubabschaltungsphase nicht ausreichend
genau bekannt, um eine genaue Ausmessung zu gewährleisten.
Damit kann nicht sichergestellt werden, dass der Befüllungsgrad des
Katalysators ausreichend genau bekannt ist mit der Folge einer ungenauen
Katalysatordiagnose. Dies führt bei den heutigen Abgaszertifizierungstests für
die dort vorkommenden Schubphasen zu einer mangelnden Testsicherheit
des betreffenden Ausmessungsverfahrens.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht in der Ermittlung
einer Sauerstoffspeicherfähigkeit eines in einer Abgasanlage
eines Verbrennungsmotors angeordneten Katalysators mit hoher Reproduzierbarkeit
der ermittelten Werte mit minimalem Eingriff in den Motorbetrieb.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren
bzw. eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Weitere Aspekte der Erfindung
sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren entwickelt ein Verfahren
zur Ermittlung einer Sauerstoffspeicherfähigkeit eines
Katalysators, wobei der Verbrennungsmotor aufgrund einer Anforderung
zu einem Zeitpunkt T0 in einer Fettphase betrieben und die Fettphase
nach Anforderung einer Schubabschaltungsphase zu einem Zeitpunkt
T1 beendet wird und der Verbrennungsmotor zumindest bis zu einem
Zeitpunkt T2 in der Schubabschaltungsphase betrieben wird, dadurch
weiter, dass die Anforderung der Fettphase und der Schubabschaltungsphase
jeweils unabhängig von der Entscheidung, die Sauerstoffspeicherfähigkeit
zu ermitteln erfolgt und für den Fall einer Entscheidung,
die Sauerstoffspeicherfähigkeit zu ermitteln, eine in einem
Zeitintervall T4 – T3 in den Katalysator einströmende
Sauerstoffmenge M ermittelt und die Sauerstoffspeicherfähigkeit
SM in Abhängigkeit von der ermittelten Sauerstoffmenge
M bestimmt wird, wobei T3 ≥ T1 und T4 ≤ T2 gilt.
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Die
Sauerstoffspeicherfähigkeit wird erfindungsgemäß daher
jeweils ausgehend von einem definierten Katalysatorreferenzzustand
gebildet.
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Als
Magerphase wird ein Betrieb des Motors mit einem Gemisch mit einem
Lambda-Wert > 1, als Fettphase
ein Betrieb mit einem Gemisch mit einem Lambda-Wert < 1 bezeichnet. Als
stöchiometrisch wird im Rahmen der Erfindung ein Lambda-Wert nahe
oder gleich 1 bezeichnet. Als Gemisch wird im Zusammenhang mit der
Erfindung das motorische Luft/Kraftstoffgemisch bezeichnet.
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Als
Schubabschaltung wird eine gezielte Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr
zu dem Verbrennungsmotor bezeichnet. Bei elektronischen Einspritzanlagen
erfolgt die Unterbrechung der Kraftstoffzufuhr über die
Einspritzventile abhängig von Parametern wie Motortemperatur,
Drehzahl, Drosselklappen- bzw. Gaspedalstellung.
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Als
Anforderung wird eine beispielweise von einem Fahrer des Kraftfahrzeugs
eingeleitete Änderung des Gemischs bezeichnet; beispielsweise
kann dies in Abhängigkeit von der Stellung oder Bewegung eines
Gaspedals erfolgen.
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Erfindungsgemäß findet
zur Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit kein aktiver
Eingriff in den Motorbetrieb statt, um die Fettphase oder Schubabschaltungsphase
einzuleiten. Vielmehr werden die im normalen Fahrbetrieb bzw. im
Zertifizierungsbetrieb auftretenden Fettphasen und Schubabschaltungsphasen
erfindungsgemäß passiv genutzt.
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Da
der Motor während der Fettphase in einem Zeitintervall
T1 – T0 mit einem fetten Gemisch betrieben wird, ist für
die Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit während
des Zeitintervalls T4 – T3 ein definierter Ausgangszustand
des Katalysators, in dem dieser von Sauerstoff entleert ist, gewährleistet. Das
Zeitintervall T1 – T0 wird entsprechend groß gewählt,
um eine sichere Entleerung des Katalysators von Sauerstoff zu gewährleisten.
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Regelungstechnisch
besonders einfach ist es, wenn die Sauerstoffmenge M mittels eines
Signals eines stromab des Katalysators angeordneten hinteren Sauerstoffsensors
ermittelt wird, wobei der Zeitpunkt T4 bestimmt wird durch ein Signal
welches einem Lambdawert > 1
im Abgas stromab des Katalysator entspricht.
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Eine
Erhöhung der Genauigkeit mit der die Sauerstoffspeicherfähigkeit
ermittelt wird, wird erreicht, wenn die Fettphase zur Gewährleistung
einer vorgegebenen Entleerung des Katalysators von Sauerstoff bis
zu einem Zeitpunkt T3 = T1 + x, mit x > 0 sec verlängert wird.
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Ferner
wird eine Erhöhung der Genauigkeit mit der die Sauerstoffspeicherfähigkeit
ermittelt wird, erreicht, wenn die Schubabschaltungsphase zur Gewährleistung
einer vorgegebenen Sauerstoffbeladung des Katalysators bis zu einem
Zeitpunkt T5 = T2 + y, mit y > 0
sec verlängert wird, bevor der Verbrennungsmotor in einer
weiteren Fettphase betrieben wird.
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Wenn
der Verbrennungsmotor nach Beendigung der Schubabschaltungsphase
bis zu einem Zeitpunkt T6 > T2
in einer Magerbetriebsphase mit einem vorgegebenen Lambda > 1 betrieben wird,
bevor ggfs. der Verbrennungsmotor in einer weiteren Fettphase oder
mit einem stöchiometrischen Gemisch betrieben wird, kann
eine bereits eingeleitete Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit
beendet, gleichzeitig aber einem Fahrerwunsch nach einem höheren
Drehmoment gefolgt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren stellt sicher, dass
die Ermittlung der Sauerstoffspeicherfähigkeit zu verschiedenen
Zeitpunkten unter gleichen oder ähnlichen Bedingungen erfolgt
und daher reproduzierbar gleiche Werte bestimmt werden. Aufgrund des
bis zu dem Zeitpunkt T1 erfolgten Fettbetriebes ist jeweils der
Ausgangszustand für die Ermittlung des Zustandswertes ein
von Sauerstoff geleerter Katalysator.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren garantiert ferner einen
sicheren Ablauf in den üblichen Abgaszertifizierungstests,
da jeder Zertifizierungstest Phasen mit Verzögerung des
Fahrzeuges beinhaltet, welche als Schubabschaltung gefahren werden
oder als solche vorgesehen werden können. Die in den üblichen
Abgaszertifizierungstests vorgeschriebenen Bedingungen werden erfindungsgemäß passiv
mitgenutzt, ohne dass ein aktiver Eingriff in den Betrieb des Verbrennungsmotors
zur Einleitung der Schubabschaltungsphase erfolgt. Damit verursacht
das erfindungsgemäße Verfahren keinen zusätzlichen Verbrauch
an Kraftstoff und auch keine erhöhten Abgasemissionen.
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Bevorzugt
ist es, wenn die Abgasanlage einen vorderen Lambda-Regelkreis mit
einem den motorischen Soll-Lambdawert festlegenden Soll-Lambdawert
und einen hinteren Lambda-Regelkreis mit zumindest einem stromab
des Katalysators angeordneten hinteren Sauerstoffsensor aufweist
und von dem hinteren Lambda-Regelkreis ein Ausgangssignal des hinteren
Sauerstoffsensors verarbeitet, ein Differenzwert Delta Lambda zu
einem hinteren Soll-Lambda-Wert gebildet und eine auf den Soll-Lambda-Wert
des vorderen Lambda-Regelkreises wirkende Stellgröße
ausgegeben wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden,
wenn der vordere Lambda-Regelkreis mit einem stromab des Verbrennungsmotors und
stromauf des Katalysators angeordneten vorderen Sauerstoffsensor
versehen ist. Ferner kann dem vorderen Lambda-Regelkreis ein modelliertes
Sauerstoffsignal, welches einen modellierten Lambda-Wert des Abgases
entspricht, zur Verfügung gestellt werden.
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem wird ferner durch eine Vorrichtung
mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs
gelöst. Die entsprechende Vorrichtung zeichnet sich dadurch
aus, dass der Verbrennungsmotor und die Motorsteuerung ausgelegt
sind für eine Betriebsweise, bei der die Anforderung der
Fettphase und der Schubabschaltungsphase jeweils unabhängig
von der Entscheidung, die Sauerstoffspeicherfähigkeit zu
ermitteln erfolgt und für den Fall einer Entscheidung,
die Sauerstoffspeicherfähigkeit zu ermitteln, eine in einem
Zeitintervall T4 – T3 in den Katalysator einströmende
Sauerstoffmenge M ermittelt und die Sauerstoffspeicherfähigkeit
in Abhängigkeit von der ermittelten Sauerstoffmenge SM
bestimmt wird, wobei T3 ≥ T1 und T4 ≤ T2 gilt.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den weiteren abhängigen Ansprüchen,
der Zeichnung sowie der zugehörigen Beschreibung.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an
Hand der Zeichnung genauer erläutert.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Zustandswertes
eines Katalysators bei einem Verbrennungsmotor.
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In
der Figur sind Signalverbindungen sowie deren Richtung sind durch
Pfeile 4 gekennzeichnet.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst einen Verbrennungsmotor 3 mit
einer Motorsteuerung 40, einer Abgasanlage 17 und
einem 3-Wege-Katalysator 19 und weist einen vorderen Regelkreis 5 mit
einem vorderen Regler 7 und einen hinteren Regelkreises 9 mit einem
hinteren Regler 11 auf.
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Der
hintere Regler 11 ist eingangsseitig mit einer Modellierungseinheit 13 und
einem hinteren Sauerstoffsensor 15 verbunden.
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Stromab
des Verbrennungsmotors 3 und stromauf des Katalysators 19 befindet
sich in der Abgasanlage 17 ein vorderer Sauerstoffsensor 21.
Bei den Sauerstoffsensoren 15, 21 kann es sich
beispielsweise um Sprung- und/oder Breitbandsensoren handeln.
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Die
Modellierungseinrichtung ist mit der Motorsteuerung 40 verbunden
oder Bestandteil der Motorsteuerung 40. Mit der Motorsteuerung 40 sind auch
die Regler 7, 11 sowie weitere nicht dargestellte Sensoren
und Stelleinrichtungen für motorische Größen
wie beispielsweise Luftmassenstrom, Motordrehzahl, Gaspedalstellung
usw. verbunden.
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Es
versteht sich, dass die Erfindung auch andere als die in 1 dargestellten
Regelungskonzepte umfasst.
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In
einer weiteren, jedoch in der 1 nicht dargestellten
Ausführungsform ist kein λ-Sensor 21 im
vorderen λ-Regelkreis verbaut. Stattdessen wird von der
Motorsteuerung 40 ein modellierter λ-Wert zur
Verfügung gestellt, welcher beispielsweise aus motorischen
Größen wie Kraftstoffeinspritzmenge und Luftmenge
sowie adaptierten Einstellwerten und/oder komplexeren Modellen ermittelt
wird und anstelle eines gemessenen λ-Wertes verwendet wird.
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Das
Signal der hinter dem Katalysator 19 befindlichen λ-Sonde 15 liefert
Informationen über das Gemischluftverhältnis hinter
dem Katalysator 19, was Rückschlusse auf den aktuellen
Sauerstoff-Befüllungszustand und die Konvertierungsleistung
des Katalysators erlaubt.
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In
einer weiteren, jedoch nicht dargestellten Ausführungsform
ist lediglich ein λ-Regelkreis vorgesehen.
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Die
Vorrichtung 1 beziehungsweise der vordere Regelkreis 5 weist
einen Sollwertpfad 23 mit einem Sollwerteingang 25 auf.
In den Sollwertpfad 23 ist eine Additionsstelle 27 geschaltet.
Die Additionsstelle 27 des Sollwertpfads 23 ist
eingangsseitig dem Sollwerteingang 25 und dem hinteren
Regler 11 zugeordnet. Mithin wird durch die Additionsstelle 27 die Stellgröße
des hinteren Reglers 11 mit dem Sollwert der λ-Regelung
addiert. Ein Stelleingriff des hinteren Reglers 11 wirkt
also ausschließlich über den Sollwertpfad 23 des
vorderen Regelkreises 5 auf die Gemischbildung des Verbrennungsmotors 3 und
damit auf den λ-Wert des Abgases des Verbrennungsmotors 3.
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Der
vordere Regelkreis 5 arbeitet unabhängig, wird
von der Stellgröße des hinteren Regelkreises 9 geführt,
beinhaltet den Sollwertpfad 23 sowie eine Subtraktionsstelle 29 zur
Bildung der Regelabweichung aus dem über den Sollwertpfad 23 eingespeisten
Sollwert und dem Ausgangssignal des vorderen Sauerstoffsensors 21,
den vorderen Regler 7, den Verbrennungsmotor 3 sowie
dessen Abgasanlage 17 mit dem vorderen Sauerstoffsensor 21.
Der hintere Regelkreis 9 arbeitet als übergeordneter
Regler und beinhaltet mithin den gesamten vorderen Regelkreis 5 und
außerdem den Katalysator 19, den stromab davon
angeordneten hinteren Sauerstoffsensor 19 sowie die Modellierungseinheit 13.
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Zur
Ermittlung eines Zustandwertes des Katalysators 19 sind
Verbrennungsmotor 3 und Motorsteuerung 40 für
folgende Betriebsweise ausgelegt:
Betrieb von einem Zeitpunkt
T0 bis zu einem Zeitpunkt T1 in einer Fettphase nach dem Ende der
Fettphase für ein Zeitintervall T2 – T1 Betrieb
in einer Schubabschaltphase vom Zeitpunkt T2 an wobei die Einleitung
der Fettphase und der Schubabschaltungsphase unabhängig
von der Entscheidung die Sauerstoffspeicherfähigkeit zu
ermitteln erfolgt, und für den Fall einer Entscheidung
die Sauerstoffspeicherfähigkeit zu ermitteln, eine im Zeitintervall
T4 – T3 in den Katalysator einströmende Sauerstoffmenge
M ermittelt und die Sauerstoffspeicherfähigkeit SM in Abhängigkeit
von der Sauerstoffmenge M gebildet wird.
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Die
in den Katalysator 19 einströmende Sauerstoffmenge
M wird mittels der Modellierungseinheit 13 in an sich bekannter
Weise aus dem Wert eines Lambdasondensignals und dem Wert eines
Luftmassenstroms bestimmt. Das Sondensignal entspricht dem Lambdawert
des Abgases stromab des Verbrennungsmotors 3 und stromauf
des Katalysators 19.
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Der
vordere Sauerstoffsensor 21 und/oder die Motorsteuerung 40 stellen
der Modellierungseinheit 13 das Sauerstoffsignal zur Verfügung.
In der Vorrichtung 1 gemäß 1 weist
die Modellierungseinheit 13 auch einen Eingang für
das Signal des hinteren Sauerstoffsensors 15 auf. Daher
kann auch eine aus dem Katalysator 19 ausgetragene Sauerstoffmenge
M* ermittelt und eine Bilanzierung der ein- und ausströmenden
Seuerstoffmenge M bzw. M* vorgenommen werden. Durch Bilanzierung
kann die aktuelle relative Beladung des Katalysators 19 mit Sauerstoff
als Sauerstoffspeicherfähigkeit ermittelt werden.
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Die
Modellierungseinheit 13 ermittelt ferner durch ein hinterlegtes
Sauerstoffmodell ein Eingangssignal für den hinteren Regler 11.
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Zur
Ermittlung der Sauerstoffbeladung des Katalysators 19 wird
folgendermaßen vorgegangen:
In Abhängigkeit
von verschiedenen Betriebsparametern, insbesondere der Stellung
des Gaspedals erfolgt ein Betrieb des Verbrennungsmotors 3 in
einer Fettphase. Diese wird in Abhängigkeit von verschiedenen
Betriebsparametern, insbesondere der Stellung des Gaspedals zu einem
Zeitpunkt T1 beendet. Wie an sich bekannt und üblich wird
nun eine Schubabschaltungsphase mit einem mageren Gemisch eingeleitet,
die erst zu einem Zeitpunkt T2 beendet wird. Das erfindungsgemäße
Verfahren nutzt diese Schritte passiv. Dazu wird, falls von der
Motorsteuerung 40 eine Entscheidung getroffen wurde, die
Sauerstoffbeladung des Katalysators 19 zu ermitteln, die im
Intervall T4 – T3 in den Katalysator 19 einströmende
Sauerstoffmenge bestimmt.
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In
einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird die Sauerstoffmenge
M mittels eines Signals eines stromab des Katalysators angeordneten hinteren
Sauerstoffsensors ermittelt, wobei der Zeitpunkt T4 bestimmt wird
durch ein Signal welches einem Lambdawert > 1 im Abgas stromab des Katalysator entspricht.
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Falls
eine Fettphase nicht ausreicht zur Gewährleistung einer
vorgegebenen Entleerung des Katalysators von Sauerstoff kann diese
bis zu einem Zeitpunkt T3 = T1 + x, mit x > 0 sec verlängert werden und
so die Räumung des Katalysators 19 von Sauerstoff
intensiviert werden.
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Falls
eine Schubabschaltungsphase nicht ausreicht zur Gewährleistung
einer vorgegebenen Sauerstoffbeladung des Katalysators kann diese
bis zu einem Zeitpunkt T5 = T2 + y, y > 0 verlängert und so der Sauerstoffeintrag
in den Katalysator vergrößert werden. Falls jedoch
einer Anforderung die Schubabschaltungsphase zu beenden, unmittelbar gefolgt
werden soll, kann auch ein Betrieb mit einem mageren Gemisch bis
zu einem Zeitpunkt T6 > T2
erfolgen und der Katalysator bis zu diesem Zeitpunkt mit einem sauerstoffreichen
Gemisch beladen, gleichzeitig jedoch ein Wunschmoment beispielsweise
des Fahrers bereitgestellt werden.
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Der
erfindungsgemäß ermittelte Wert der Sauerstoffspeicherfähigkeit
kann beispielsweise in der Motorsteuerung 40 weiterverarbeitet
und/oder abgespeichert oder mittels eines Displays angezeigt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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